CMOS-Vorteile fürs HF-Front-End

Durch die „Silicon-on-Sapphire-Technologie“ ist es möglich, Antennenschalter für GSM und WCDMA mit geringen Abmessungen, optimalen Leistungseigenschaften und hohem Integrationsgrad herzustellen.

Durch die „Silicon-on-Sapphire-Technologie“ ist es möglich, Antennenschalter für GSM und WCDMA mit geringen Abmessungen, optimalen Leistungseigenschaften und hohem Integrationsgrad herzustellen.

Linearität, Leistungsbedarf, Robustheit und Kleinsignalverhalten heutiger HF-Geräte waren noch vor zehn Jahren unerreichbar. Doch die Industrie ruht sich nicht auf ihren Lorbeeren aus. Entwickler mobiler Endgeräte für GSM und WCDMA führen bereits kleinste Handys im „Schokoriegel“-Format vor. Dieser andauernde Entwicklungstrend macht kleinere und schmalere Bauteile für das HF-Front-End einschließlich der hochintegrierten Leistungsverstärker und Antennenumschalter erforderlich, die gleichzeitig mehrere Frequenzbänder und Betriebsarten bewältigen – wobei Kosten, technische Merkmale und Leistungsbedarf wichtige Parameter bleiben. Allerdings verschiebt sich der Schwerpunkt hin zu Platz-Minimierung und noch höherer Integration, und dies ist ein Feld, auf dem das Silizium sich bislang gut geschlagen hat.

Silizium: Erfolg und Probleme

Während HF-Front-End-Komponenten für immer kleinere Gehäuse und mehr Frequenzen entwickelt wurden, glaubten viele, dass das Silizium sich hier nicht behaupten könnte. Um höhere Leistung und Frequenzen der Mobilfunkanwendungen zu beherrschen, begannen einige Entwickler, GaAs einzusetzen. Mit den Jahren wurden Aufsehen erregende Durchbrüche mit der gemischten Halbleitertechnologie erzielt, die in der drahtlosen Technik für die notwendigen Fortschritte zur Verkleinerung der Leistungsverstärker und Schalterfunktionen führten. Die Entwicklung vom 100-mm- zum 150-mm-GaAs-Wafer und damit zu höheren Produktionszahlen, wie sie von der Milliarden umsetzenden Mobilfunkindustrie gefordert wurden, machte diese einst unerschwingliche Technologie kostengünstiger.

Einige Entwickler jedoch blieben bei CMOS und arbeiteten mit der „Silicon-on-Insulator“-Technologie (SOI), die meist ein speziell gefertigtes Si-Oxid als Isolator einsetzt. Andere wiederum fokussierten sich auf einen anderen Technologiezweig des SOI und trieben Silizium auf Saphir voran (SOS), das mit Saphir einen wesentlich besseren Isolator als das Oxid im Standard-SOI verwendet. Bauelemente auf dieser Grundlage gestatten dem Hersteller, hochleistungsfähige monolithische Leistungsschalter zu bauen, statt viele Chips oder kaskadierte Komponenten produzieren zu müssen, um z.B. eine spezifikationskonforme UMTS-HF-Einheit zu erhalten, wie sie in GaAs erforderlich ist. Mit der Weiterentwicklung des SOS-Prozesses von 0,5- auf 0,25-µm-Strukturgeometrien stellen SOS-Vertreter in Aussicht, dass die CMOS-Technologie dem berühmten Gesetz von Gordon Moore weiter folgt.

Vorteile monolithischer Schalter

Weil Handys mittlerweile auch mehrere Betriebsarten, Standards oder Modulationsvarianten („Multiband“) beherrschen müssen, verdoppelt bzw. vervielfacht sich auch die Anzahl der Leistungsverstärker in einem solchen Gerät. Und die zugehörigen Schalter im Front-End müssen heute mehr als doppelt so hohe Leistungen bewältigen, als dies früher der Fall war. Im Gegensatz zum Leistungsverstärker ist ein Schalter als monolithischer Baustein am effizientesten eingesetzt, wodurch sich die Kosten in Richtung „mehr Leistungsmerkmale“ verschieben.

Angesichts dieser erhöhten Leistungsfähigkeit verblassen die einst spektakulären Durchbrüche der gemischten Halbleitertechnologie mit ihren Transistor- und Prozessverbesserungen. Durch den rasanten Fortschritt wurden letztlich die Möglichkeiten der GaAs-Technologie überholt. Als z.B. für die Endgeräte Antennenumschalter jenseits des SP4T gefordert wurden, konnten die GaAs-Entwickler die besonderen Schaltereigenschaften nicht länger in einem einzigen Schaltkreis realisieren. Folglich mussten sie mehrere solcher Schaltkreise auf einem einzigen Chip kombinieren.